烧结金属多孔材料孔隙的形成原因及孔隙的连通性研究

烧结金属多孔材料孔隙的形成原因及孔隙的连通性研究

金属多孔材料是在探测、压碎、气氛处理等过程中产生的多孔材料。由于其具有耐高温、耐腐蚀、强度高、塑性好、能较好的承受热压力及冲击、可进行机械加工、焊接、脏化后可清洗再生、使用寿命长等诸多优点,使得其在许多工业领域得到应用。目前,泡沫金属是一种重要的多孔金属材料,其孔隙主要通过添加发泡剂获得。烧结金属多孔材料则直接通过控制粉末松压密度形成多孔材料,并且较为容易的制备出连通孔隙,使其具有广泛的应用领域。近年研制多孔烧结过滤材料所取得的进展是我国粉末冶金领域发展最快最有成效的领域之一,烧结金属含油轴承得到了广泛的应用,烧结金属透气模具钢在塑料模具工业中也有广泛的应用前景。本文利用模压机制备了几组金属粉末松压试样,由于原压坯中的孔隙及偏扩散是造成烧结坯孔隙的主要原因,因此先建立原压坯的理想几何模型,研究了孔隙的形成原因,对烧结坯的金相分析进一步证实孔隙的存在,然后研究了试样的孔隙率并通过测试其透气性验证了孔隙的连通性,最后初步研究了试样的机械加工性能。1实验方法本试验选用工业配比铁粉(雾化粉∶还原粉∶胶体石墨:硬脂酸锌∶电解铜粉=50∶50∶0.7∶0.65∶2.0),在每种标称压力下压制4组不同质量的试样,压力分别为40、45、50、55MPa,试样粉重分别为100、150、200、250g,总共压制直径为8cm的圆柱试样16件,烧结在RSJ-13四段高温烧结炉中进行,烧结气氛为分解氨,烧结炉烧结温度段为1100~1300℃,保温1h,全部试样如表1:2结果与讨论2.1孔隙的几何模型模压中所制备的为松压试样,因此存在大量的孔隙,下面建立两种孔隙的几何模型来说明孔隙的连通特征。假设铁粉球颗粒大小均一,而且都是标准的球体,将堆积的几何模型简化成图1和图2两种情形:第一种模型如图1,假设铁粉球颗粒正方体密排,如图1(a);用绘图软件去掉球形实体,将球体之间的孔隙用实体表示,则孔隙的几何模型如图1(b)。通过计算易得出此模型的孔隙率为(1-π/6)×100%,即47.6%。第二种模型如图2,假设铁粉球颗粒正方体体心排列,如图2(a);用绘图软件去掉球形实体,将球体之间的孔隙用实体表示,则孔隙的几何模型如图2(b)。通过计算易得出此模型的孔隙率为(1−π/32√)×100%(1-π/32)×100%,即25.9%。从这两种几何模型可以看出,球颗粒堆积后其内部形成大量的孔隙,这种孔隙形成了镂空的复杂几何体,并且这种几何体是一种连续的实体模型,这就说明了球颗粒堆积后其孔隙是一个连通体,一定尺寸的物质可在这种连通通道内顺利穿行。由孔隙率的计算结果可知:均一尺寸的粉末颗粒堆积后孔隙率与颗粒尺寸大小无关(这与通常的认识不相符,这是由于颗粒为同一尺寸时,大颗粒堆积孔隙尺寸较大但孔隙数目较少,小颗粒堆积孔隙尺寸较小但孔隙数目较多,整体上颗粒堆积后的孔隙率不变),但与颗粒的堆积方式有关。球颗粒堆积越简单、越松散,孔隙率越大;反之,球颗粒堆积越复杂、越紧密,孔隙率越小。进一步分析几何模型可知:粒度分布不均一的粉末颗粒,大颗粒间的孔隙将会被小颗粒填充,孔隙率会较小;孔隙尺寸与粉末颗粒尺寸及粒度分布关系密切,颗粒尺寸小、粒度分布不均匀,孔隙尺寸会较小。实际粉末颗粒尺寸不均一、形状不规则,在压制过程中颗粒还会产生一定的塑性变形,压力越大,塑性变形越大,颗粒堆积的紧密程度越高,孔隙越小。烧结之后,颗粒之间接触的部位实现冶金熔合,出现粉末球颗粒的烧结颈现象,多孔材料从而具有一定的强度,其内部的大部分孔隙保持相互连通,因此仍然可以用上面两种模型对孔隙产生原因做一定的简化分析。这样,这种模型初步说明了烧结金属多孔材料孔隙的产生原因、孔隙的面貌和孔隙的连通性。2.2孔隙的金相分析图3为金属粉末未烧结压制体生坯的腐蚀金相图,图中可清晰的看到颗粒之间的界线。烧结之后,颗粒的界面结合在一起,但仍然保留着一定量的孔隙。图3中黑色的不规则区域为孔隙,由图可见,孔隙位于颗粒界面处,这些界面是一种三维连通的网状结构。图4为烧结试样的两幅未腐蚀金相图,图中的黑色不规则块为不规则的孔隙,它是由压缩时所保留下的孔隙在保温过程中发生部分圆整以及由烧结时固相转变而成的。由金相照片可以看出,试样中存在大量的孔隙,孔隙边缘比较圆整,说明金属粉末在烧结过程中发生了部分扩散、相互连接和球化,这些不规则的孔隙实际上形成了三维连通的网状结构。由金相照片也可以大概计算出试样的孔隙率和孔隙尺寸。图4(a)试样中心区域的未腐蚀金相图,孔隙大小、分布较均匀;图4(b)试样边缘区域的未腐蚀金相图,孔隙大小、分布较不规则。这是因为烧结后的边缘部分因制品收缩较大,致密性差,孔隙多,所以边缘部分孔隙总比中心严重。另外,试样在模压过程中受到模壁的摩擦力影响,边缘区域的受力不均衡,孔隙的变化情况较复杂,相对而言,中心区域的受力较均衡,孔隙较规则。对比图3和图4也可以发现,图3中的孔隙看起来相对较少,通过分析,这其中的原因主要是:金属颗粒烧结之后出现一定的收缩、圆整;未烧结颗粒强度差,做金相实验时因表面磨削出现较多的堵塞现象。2.3试样孔隙率分析理论平均密度的计算公式为:ρ=MV(1)ρ=ΜV(1)式中M——试样质量V——试样体积孔隙率的计算公式为:α=ρ0−ρρ0(2)α=ρ0-ρρ0(2)式中ρ——理论平均密度ρ0——理想密实密度依据上面公式计算实验试样的孔隙率。从表1中可看出,压力越大,试样密实程度越高,孔隙率便越小,这与理论分析一致。同时可以看出同一压力下试样的孔隙率与质量没有明显的关系,由于实验采用同样的原料、设备和烧结成形温度,因此可以认为本实验中压制压力是影响孔隙率的唯一因素。表2反映了孔隙率在不同压力下的平均值,显然,压力越大,平均孔隙率越小。对试样孔隙率检验的结果也较好的与上面分析吻合。实验中线切割制作尺寸为10mm×10mm×8mm试样,依据GB/T5164-1985,利用渗油法,试样4-4的孔隙率检验结果为21.1%,这一结果与试样4-4的计算值23.4%,以及与平均孔隙率值24.3%是较为接近的。2.4机械加工对材料孔隙连通性的影响为检测试样孔隙的连通性,设计了如图5的实验装置:气室A和B,试样切片将两气室分隔开。A气室接抽气机,气室壁为刚性的致密材料;B气室为一可自由收缩的密封容器,其内的气压始终自动保持和大气压相当。当抽气机工作时,气室B的容积慢慢减小,其内的气体流入气室A,这就证明了试样孔隙的连通性。实验中测试了3件直径8cm的试样:①无任何加工处理试样(厚度8mm),②线切割试样(厚度1mm),③线切割后又磨削试样(厚度0.7mm)。测试结果显示,这三种试样透气性依次变差,图5中装置排完B气室的空气分别用时8s、38s和52s。通过反复的测试得出结论:没经过任何处理的试样,透气性都较好;烧结成形后表面加工处理过的试样,透气性都较差,表面磨削程度越高,透气性越差。初步分析认为,试样经过切削、磨削等加工后,试样内部的孔隙仍保持三维连通,但表面上部分孔隙被堵塞,加工程度越高,堵塞的程度便越高,因此才会产生上面所述的这些差别。2.5孔隙对强度的影响烧结金属材料的强度一般与烧结密实程度有关,与孔隙率成反比,孔隙率越大,强度越差。实验中对试样进行了拉伸测试,结果显示拉伸强度介于100~150MPa之间。可见烧结金属多孔材料的强度比密实烧结金属差,但对于特定工业领域,这种强度已足够。拉伸结果也显示,孔隙率大的试样,强度较差。这样在实际应用中,就要在材料强度指标和孔隙率指标间找平衡,满足特定的使用要求。当然,研究同时具有高孔隙率和高强度的多孔金属材料也是一个发展方向。3结论(1)制备了高孔隙率的烧结金属多孔材料,其孔隙率与成形时的模压力